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标题	苗尾水电站地面厂房结构振动分析
范文	姚新刚+杨忠良+郭德昌 摘要：通过建立苗尾水电站地面厂房三维有限元模型，对厂房结构进行振动分析，研究了厂房固有振动特性，对厂房和机墩分别进行了共振复核，并对机组振动响应进行了分析。计算表明，厂房结构布置可以满足抗振要求，但厂房第一阶自振频率与转频的错开度小于20%，具有共振的可能性。建议采用在风罩与楼板连接处增设牛腿的措施，可满足共振校核要求。 关键词：苗尾水电站；地面厂房；共振 中图分类号：TV731.6文献标志码：A文章编号： 1672-1683（2015）001-0122-03 Vibration analysis of ground powerhouse of Miaowei hydropower station YAO Xin-gang，YANG Zhong-liang，GUO De-chang （Huadong Engineering Corporation Limited，Hangzhou 310014，China） Abstract：Three-dimensional finite model of ground powerhouse of Miaowei hydropower station was established to analyze the dynamic characteristic of powerhouse.The natural vibration characteristic，resonance check of powerhouse and pier ，vibration amplitude were studied.It was concluded that the layout of powerhouse can meet the need of anti-vibration，but the difference between rotary frequency and the first natural frequency of powerhouse is less than 20%.Corbel was advised to be set at the corner of floor and ventilation barrel to meet the request of resonance check. Key words：Miaowei hydropower station；ground powerhouse；resonance 苗尾水电站位于云南省大理州云龙县旧州镇境内的澜沧江河段上，是澜沧江上游河段一库七级开发方案中的最下游一级电站。枢纽建筑物主要由砾质土心墙堆石坝、左岸溢洪道、冲沙兼放空洞、引水系统及地面厂房等组成。 发电厂房尺寸为192.00 m×32.50 m×71.7 m（长×宽×高），屋面结构采用钢网架结构。厂内安装四台单机容量为350 MW水轮发电机组，机组间距30 m，机组段设上游副厂房和尾水副厂房。机组额定转107.1 r/min，最大飞逸转速210 r/min。 本文采用三维有限元动力计算方法，计算分析苗尾水电站厂房结构自振特性，以及结构振动动力响应特性，校核并判别厂房结构的抗振安全性，提出相应的结构优化措施。 1厂房自振特性及共振校核 选取标准机组段进行离散模拟，在厂房底部模拟70 m厚度的岩体。网架结构采用采用杆单元（link8）模拟，网架和厂房结构通过“绑定接触”来模拟两者相互作用。有限元计算模型包括上游副厂房底板、主厂房、尾水副厂房及尾水闸墩，如图1所示。边界条件为，基岩底部固结，基岩其他侧面分别进行法向约束，其他混凝土边界自由。 图1整体有限元计算模型（基岩未示意） 计算得到的前10阶的自振频率和振型说明列于表1。 共振复核要求结构自振频率和振源频率的错开度大于20%。引起水轮机组振动的原因很多，大致可分为机械、电磁和水力三种[2]。现将主要的振源频率和模型的自振频率列于表2中，并给出30%以内的频率错开度值。 根据表中的计算结果可以得出以下结论。 （1）厂房结构的自振频率很密集，基本在每一个个位数内均有频率出现；机组运行中可能出现的振源很多，频率从低频（1.785 Hz）到高频（556.9 Hz）的分布极广。 （2）厂房结构第一阶自振频率与转频错开度为1838%， 表1厂房结构固有频率及振型说明 表2厂房结构自振频率与振源频率汇总及共振复核 小于20%，可知第一阶自振频率具有一定的共振可能性，其他阶自振频率与转频错开度满足要求。 第二、三阶自振频率与2倍转频的错开度分别为1462%和1643%，具有一定的共振可能性。2倍转频的振源为机械振源，通过机组制造安装时严格控制制造精度及安装精度可有效减小2倍转频振源共振的可能性。 飞逸转频振源的共振一般不做重点校核，因为时间较短暂；其他可能振源与前三阶自振频率的共振错开度都超过30%，无共振的可能性。 综上所述，厂房第一阶自振频率与转频的错开度小于20%，具有共振的可能性。 2机墩自振特性及共振校核 机墩作为承受机组振动荷载的主要结构，在《水电站厂房设计规范》638条{1}中规定除采用附录C计算方法对机墩进行动力校核外，还宜采用有限元法或其他分析方法复核。 根据《水电站厂房设计规范》附录C{1}给出的动力系数计算公式对机墩进行动力系数复核： η=11-（fifoi）（1） 式中：fi为强迫振动频率；foi为机墩某一方向某一阶自振频率。 在厂房整体模型中，将除机墩外的单元材料密度设置为0，对机墩结构进行模态分析，得出机墩结构第一阶整体自振频率为2733 Hz。 取fi=fn=1785 Hz，foi=2733 Hz（机墩第一整体自振频率），得到：η=107。机墩结构动力系数较小，没有超过设计手册中所建议的η=15。 根据《水电站厂房设计规范》附录C{1}中关于机墩动力计算的相关规定，进行厂房机墩的结构力学法计算校核。机墩动力计算参考图见图2。计算结果见表3。 图2机墩剖面图 表3机墩动力计算结果（结构力学法） 从上表的结果分析，机墩强迫振动频率与自振频率都满足错开度20%的要求，不会发生共振。 3机组振动动力响应分析 按照谐响应法对厂房结构整体进行正常运行工况、半数磁极短路工况、两相短路工况及误同期工况共四种工况下的振动响应分析。计算表明苗尾厂房在位移、速度、加速度及动应力响应方面均满足规范要求。 其中，动力响应分析中，激振频率为转频的工况为额定工况和误同期工况。这两个工况下的厂房结构振动形态见图3、图4。 可知，额定工况和误同期工况下，厂房振动形态基本表现为厂房上部墙体顺河向振动，网架竖直向上振动，与厂房结构在第一阶自振频率下的振型相似，进一步表明在转频激振作用下，厂房结构有可能发生共振。 4避免共振所采取的结构措施 为满足厂房第一阶频率与转频的错开度大于20%的要求，拟定了如下两种方案：方案一：机组振动动力响应结果反 图3额定工况下厂房振动形态 图4误同期工况下厂房振动形态 映出厂房板梁柱结构的抗振刚度相对较弱，尤其是发电机层和中间层楼板。因此考虑在风罩与楼板连接处增设牛腿（12 m×12 m），见图5；方案二：由于厂房第一阶振型主要表现为上部结构振动，在保证上部结构足够刚度的前提下，适当减小上部结构质量，可有效减小振动响应。因此在上游桥机牛腿以上墙柱结构上开孔，与下游顶部墙柱结构相同，见图6。模态分析表明。方案一的厂房第一阶自振频率为2238 5 Hz，与转频1785 Hz错开度为203%。方案二的厂房第一阶自振频率为2322 7 Hz，与转频1785 Hz错开度为23%。两个方案均满足要求。上述两个方案厂房的其他阶自振频率共振校核规律与表2类似。 综合考虑厂房结构布置要求，考虑到上游副厂房与主厂房间结构缝布置存在一些不利条件，建议采用在风罩与楼板连接处增设牛腿的措施，牛腿的具体尺寸可以根据结构布置需要合理调整。 图5风罩与楼板连接处增加牛腿 图6上游顶部墙柱结构开孔 5结语 （1）共振校核表明，苗尾水电站地面厂房结构第一阶自振频率与转频错开度小于20%，具有一定的共振可能性。而振动响应分析表明，额定工况和误同期工况下，厂房振型与厂房结构在第一阶自振频率下的振型相似。通过在风罩与楼板连接处增设牛腿的措施，可使得厂房第一阶自振频率与转频的错开度满足要求。 （2）利用有限元法以及结构力学法，对机墩进行共振校核。计算表明，机墩强迫振动频率与自振频率都满足错开度20%～30%的要求，不会发生共振。机墩的动力系数及振幅在设计要求范围内。 （3）苗尾厂房结构布置设计是合理可行的，可以满足结构的动力抗振要求。参考文献： [1]SL 266-2014，水电站厂房设计规范[S]. [2]马震岳，董毓新.水轮发电机组动力学[M].大连：大连理工大学出版社，2003.
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